化学自习室移动版

1981年，当IBM公司苏黎士实验室的两位科学家宾尼和罗雷尔发明了被称为 “扫描隧道显微镜”(STM)的神奇仪器之后，也同时宣告了一个引发世界性关注的全新科技领域的诞生。因为这一新发明第一次使人们借用仪器看到了原子实体，看到了原子在物质表面上的排列形式。在这之后，科学家借助STM不仅可以看到原子、分子，而且可以操纵原子和分子。1990年，IBM公司下属的研究所利用STM技术实现了人类操纵原子的梦想，他们用35个氖原子在镍表面上排出了"IBM"字样，所排出的字样不到3nm，由此揭开了人们探索纳米世界的序幕。作为一个新兴的科学领域，纳米科技一出现就引发了科学家的关注，化学家也不例外，他们纷纷转向对这一领域的探索，由此开始了纳米化学的研究和应用。

 一、奇妙的纳米世界

与微观世界和宏观世界不同，纳米世界是介于二者之间的一个新奇的世界，这不仅表现为它具有大于微观物质，远小于宏观物质的尺寸，而且表现于它具有独特的物理化学性质，从而开拓独特的应用领域。

1.独特的物质层次和结构

从尺寸上看，纳米世界包括那些大小在1nm至100nm之间的物质，而且这些物质具有以下特征:

第一，它们必须至少有一个维具有1nm到100nm的尺度；

第二，它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质;

第三，它们能够组合起来形成更大的结构。

从特征来看，一方面，纳米世界与物质的基本结构单元相邻接，但是又不属于微观层次，因为它有稳定的物理化学性质;另一方面，它也不属于宏观世界，因为它有较小的尺寸。正是在这个意义上，人们将纳米世界看做是微观世界与宏观世界之间的中观世界。由于纳米世界的物质具有稳定的物理化学性质，确定了最小的天然结构，从而成为物质微型化过程的最终极限。换句话说，在具有稳定的物理化学性质物质构造层次上，再没有比纳米世界更小的结构了。

2.独特的物理化学性质

当物质的可分性到达纳米尺度的物质世界时，物质的物理化学性质都会发生根本的改变，这种改变经过科学家的探索，认为至少体现在四个方面:

(1)表面效应。

它是指球型颗粒的比表面积与颗粒直径成反比。当物质的尺寸小于10nm时，其表面原子数会急剧增长，以至于1g纳米颗粒的表面积的总和可高达100m²，这时的表面效应将不容忽略。

(2)小尺寸效应。

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，这种变化即为小尺寸效应。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其表面积增加，一系列新奇的性质将会产生，主要表现为光学、热学、磁学性质发生根本的变化，而这些变化通常都有利于人们对物质的操作和控制。

(3)界面效应。

纳米材料通常有非常大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应。

(4)量子效应。

介于原子和大块材料之间的纳米的能带不是连续的而是分裂为分立的能级，能级间的距离随颗粒尺寸的减小而增大，当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。

二、纳米化学的应用

随着大科学时代的到来，任何一个新兴学科的发展最终都要能给人类社会的发展带来积极的作用，纳米化学也不例外。无论纳米化学如何发展，其最终目的都是研究和制备出有利于人类生存和发展的物质材料，这不仅是纳米化学的立足之本，也是纳米化学发展的动力。

由于纳米颗粒具有特殊的量子尺寸效应和表面效应及其活泼的化学性质，使它有了比体相物质更广泛的使用价值。

1.新型材料的生产和制备

通过控制材料单元尺寸和成分，化学家可以制备出更轻、韧性更强、硬度更大、灵敏性更高、使用寿命更长的纳米材料。现在，已能制备和应用的纳米材料有纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米生物活性材料、纳米贮氢材料等。由于纳米材料在导电性方面的物质特点，科学家已经看到了它们在微电子领域中的巨大作用，纳米材料将再次给计算机硬件技术带来新的革命。纳米材料的量子尺寸效应表现出来的电学、磁学、光学性质在物理方面的应用更是令人欢欣鼓舞。例如在磁记录材料上的应用，可以大幅度提高存储信息的密度和速度，也可以制备出新一代的微电子元件。化学家和生物学家发现，在生物体系中加入纳米颗粒后能有效地提高仿生体系的寿命与功能，这种性质决定了纳米材料在生物计算机和人工智能方面大有作为。

2.纳米材料对能源利用和环境保护带来无限益处

在针对环境和能源的高科技中，纳米科技占有很重要的分量，它被广泛用于发展绿色能源、减少污染、恢复己破坏的环境以及废物处理等。如人们可以利用纳米催化材料降解水和空气中的污染物，这是其他技术难以做到的。利用纳米科技可以开发高效价廉的治理汽车尾气、工业废气的净化催化剂。将纳米颗粒填充到废旧材料和塑料中，能增强、增韧废旧塑料并可能使其使用性能超过原来新材料的水平，从而提高原料使用率，变废为宝。近年研制成功的纳米结构燃烧增强剂、助燃剂和净化剂，既可以提高燃烧效率，又可以节省能源。用纳米贮氢材料可以使氢气成为机动车燃料并减少空气污染、节约矿藏资源消耗。纳米阵列体系可以使太阳能转化为电能的效率大大提高。

3.纳米材料最为重要的用途是可能带来新的医学革命

进入新世纪，人类在医疗和药物方面面临着新的挑战，例如需要治疗严重危害人们身体的各种传染疾病和多发病，还要抑制细菌和病毒的继续滋生蔓延。当纳米技术与先进生物技术、传统的化学制药相结合时，高效缓释、耙向药物将会相继问世。纳米颗粒特有的电子取出和给予效应所表现出的特殊氧化一还原功能，在人的生命过程中能起到重要的作用。它潮影响自由基、酶等与人类的新陈代谢、长寿、美容的密切关系;量子尺寸的Al₂O₃，和TiO₂对骨细胞的附着力能大大增加与活细胞的结合性能，成为矫形科和牙科手术的良好材料;税用颗粒的生物传感效应和特有的光学效应可制成生物传感器，可以对癌症和其他疾病进械;期检测和诊断，并可检测机体的生理和代谢情况。目前市场上出售的纳米金，对DNA的免疫传感器以及DNA芯片的制作都有广阔的前景，能促进细胞生物鞘和病理学的基础研究。利用纳米材料还可以研究智能医疗设备，降低手术等对人饿器官的直接和间接损坏，如“纳米钳”的使用。